凌 波， 劉光復， 張 雷， 李玉剛

（合肥工業(yè)大學 機 械與汽車工程學院，安徽 合 肥 230009）

目前我國汽車保有量約為7 800萬輛，為世界第2大汽車擁有國［1］。按照每年大約7%的報廢量，我國每年將有550萬輛左右的汽車需要報廢，且該數(shù)字仍將不斷增長［2］。

歐盟已于2005年出臺了2005／64／EC法規(guī)，即RRR（Reuse，Recycle，Recovery，簡稱RRR）指令，規(guī)定所有進入歐盟市場的M1和N1型汽車在進行整車型式認證時，必須滿足其RRR要求［3］。文獻［4］對汽車整車的可回收率、可再利用率標準的執(zhí)行提出了明確的時間表。文獻［5］修訂并實施了機動車輛類（汽車產(chǎn)品）強制性認證實施規(guī)則，明確規(guī)定了新認證汽車和掛車應按照我國標準規(guī)定的方法［6］進行相關計算。

本文在研究國外汽車產(chǎn)品計算標準［7］的基礎上，研究了我國標準規(guī)定的RRR計算方法和實施流程，建立了面向RRR計算的汽車產(chǎn)品回收信息模型，結合RRR計算中數(shù)據(jù)采集不確定性的問題，提出了相應的數(shù)據(jù)校核算法。

1 RRR計算

RRR計算中的Reuse即再使用，是指對報廢車輛零部件進行的任何針對其設計目的的使用；Recycle即再利用，是指經(jīng)過對廢料的再加工處理，使之能夠滿足其原來的使用要求，或者用于其他用途，不包括使其產(chǎn)生能量的處理過程；Recovery即回收利用，是指經(jīng)過對廢料的再加工處理，使之能夠滿足其原來的使用要求或者用于其他用途，包括使其產(chǎn)生能量的處理過程。三者間的關系如圖1所示。

圖1 Reuse、Recycle、Recovery關系

1.1 RRR計算基準車型的確定

RRR計算的基準車型是指隸屬于同款汽車但采用不同配置的車型中，可導致RRR計算結果最差的那一型汽車。若基準車型的RRR計算結果達到相關法規(guī)值，則可認為該車型系列產(chǎn)品的RRR計算結果均高于此值。

目前，對于RRR計算基準車型的定義并無相關法規(guī)出臺。根據(jù)正在擬定中的《汽車禁用物質(zhì)和可回收利用率管理》規(guī)定，以及我國相關主管部門和汽車制造商對基準車型達成的共識，一致定義為：最小的發(fā)動機，最小的手動變速箱；無備胎，無拖鉤；標準驅(qū)動（無四驅(qū)）；3廂車身；皮革內(nèi)飾；無選裝件。

1.2 RRR計算方法

RRR計算的目標是得出整車的可再利用率Rcyc和可回收利用率Rcov，它們分別表示新車中能夠被再使用及再利用部分占車輛質(zhì)量的百分比和新車中能夠被回收利用部分占車輛質(zhì)量的百分比［6－7］，即

其中，MP為預處理階段質(zhì)量；MD為拆解階段質(zhì)量；MM為金屬分離階段質(zhì)量；MTr為非金屬殘余物處理階段中被認為是可再利用的材料質(zhì)量；MTe為非金屬殘余物處理階段中用于能量回收的材料質(zhì)量；MV為整車質(zhì)量。

等式右側變量的值是對整車拆解后，統(tǒng)計出的屬于不同拆解階段的零部件總質(zhì)量。

1.3 面向RRR計算的整車拆解工藝流程

對于用作材料回收使用的零部件的可回收利用性的判定，見表1所列［8］。

表1 汽車材料可回收利用性的判定準則

（1）預處理階段。拆解、釋放或者收集車上所有液體、蓄電池、機油濾清器、液化石油氣（LPG）罐、壓縮天然氣（CNG）罐、輪胎、安全氣囊、催化轉(zhuǎn)換器等，其質(zhì)量計入MP中。

（2）零部件拆解階段。以BOM中各總成／部件為單位，遵循“先易后難、從外到內(nèi)、由總成到部件、由部件到零件”的原則進行，先評估其可拆解性和可再利用性。

若可再利用且能夠拆解，則整體拆下，再將其精細拆解成子裝配體或零件。拆解下的總成或子裝配體如果具備再使用或再制造重用性，則將其質(zhì)量計入MD中，不再進一步拆解；若不具備，則應拆解到零件層后，再根據(jù)不同材料的回收性能確定各零件的拆解階段。

若不可再利用或無法拆解，則進入下一處理階段。

（3）金屬分離階段。為了獲取車上剩余的所有金屬（黑色金屬和有色金屬），在對整車實拆到該階段時，整車上大多數(shù)部件／總成和易拆解零件均已拆除，只剩下車身本體焊接總成和少量無法拆解、拆解成本過高的零件。該階段將舊車剩余體，送入切碎機系統(tǒng)流水線，先壓扁，然后在多刃旋轉(zhuǎn)切碎裝置上切成碎塊［9］，并通過各級分選裝置得到金屬類、塑料類和其他類材料碎片。MM即為經(jīng)過此過程后得到的金屬類材料的質(zhì)量。

（4）非金屬殘余物處理階段。主要完成在整車預處理、拆解和金屬分離階段后殘存的非金屬殘余物處理。

2 面向RRR計算的汽車回收信息模型

2.1 汽車回收信息模型

汽車產(chǎn)品零部件眾多，從功能結構看，由發(fā)動機、底盤、車身、電氣設備4部分組成。從拆解角度，則可劃分為整車油液、危險部件、功能部件、白車身、連接件、內(nèi)飾等部分。

為了表達汽車產(chǎn)品的結構，描述整車BOM中的零部件信息，應建立面向RRR計算的汽車回收信息模型。由于汽車產(chǎn)品由眾多零部件組成，因此首先進行零部件的信息建模。

汽車回收信息模型中的零部件信息子模型是對零件設計、拆解以及回收過程中所需信息的集成，可劃分為零部件的結構信息、拆解信息和材料信息3種，每種信息又包含多個子信息元。為了方便表述，采用基于集合的概念，并用3元組建立零部件信息子模型，即

其中，pis為第i個零部件結構元；pid為第i個零部件拆解元；pim為第i個零部件材料元。

pis包括零部件號、零部件名稱、車型號及所屬部件號，用于標記、查找零部件在整車中的位置和結構。

pid包括零部件所屬階段及零部件拆解質(zhì)量，用于記錄每個零部件在拆解過程中所屬的階段和拆解后的實際質(zhì)量。

pim包括零部件材料組成及質(zhì)量、材料物質(zhì)組成及材料再生性能，用于判斷材料回收利用性能，確定材料的所屬階段。

通過零部件信息子模型，建立汽車回收信息模型。用集合V表示為：

其中，P為零部件集合，P＝｛Pi，i≤n｝；D為拆解信息集合，D＝｛pid，i≤n｝；M為材料集合，M＝｛pim，i≤n｝；pd：P?D，表示零部件集合與拆解信息集合的映射關系；pm：P?M，表示零部件集合與材料集合的映射關系；n為零件總數(shù)。

2.2 汽車回收信息模型的實現(xiàn)

面向汽車產(chǎn)品RRR計算的汽車回收信息模型，是一個支持汽車產(chǎn)品RRR計算，并能完整存儲零部件結構信息、拆解信息和材料信息的模型。信息模型的表達，在拓撲上可分為圖結構與樹結構2種［10］。對于面向RRR計算的汽車回收信息模型表達，可以使用分層多叉樹結構，其結構清晰、易于維護。用樹狀圖T來表示汽車回收信息模型為：

其中，C′為樹上結點集合，C′＝｛Nij｜i≤l，j＜si｝。樹上的每個結點均表示汽車產(chǎn)品中的一個零部件，根結點表示整車，葉子結點表示零件，Nij表示樹自上而下第i層，自左至右第j個結點；R為結點關系集合，R＝｛Rij→i′j′｜i，i′≤l；j，j′＜si｝，R中包含了所有的結點間父子從屬關系信息，若結點Nij是Ni′j′的子節(jié)點，則必存在Nij到Ni′j′的結點關系Rij?i′j′∈R；F為零部件信息子模型集合，F(xiàn)＝｛Fi｜i＜M｝；c′f：C′?F，表示結點集合與零部件信息子模型集合的映射關系；l為樹的深度；si為第i層上的結點總數(shù)；M為零部件信息子模型數(shù)量。樹狀模型如圖2所示。

圖2 樹狀結構模型圖

3 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)校核算法

整車進行RRR計算，除在整車拆解時收集零部件拆解元中包含的數(shù)據(jù)外，還需采集零部件的材料元信息。同時，由于數(shù)據(jù)采集過程中存在不確定性，所以在進行RRR計算前，應通過相應算法對數(shù)據(jù)進行校核與篩選。

3.1 材料元信息的采集

零部件材料元信息是汽車零部件子信息模型中的一項，包含零部件材料組成及質(zhì)量信息、材料物質(zhì)組成信息及材料再生性能信息。零部件材料信息用于判定材料的可回收性，確定零部件的所屬階段。

零部件材料信息主要通過供應鏈從供應商處獲取。目前，國內(nèi)外汽車制造廠商多借助以下3種平臺或方法采集數(shù)據(jù)：①IMDS（International Material Data System）；② CAMDS（China Automotive Material Data System）；③ 定制表格。

3種平臺或方法雖各不相同，目的均是為了獲取零部件材料信息。汽車制造廠依據(jù)整車BOM，面向一級供應商采集數(shù)據(jù)，一級供應商則向二級供應商索取數(shù)據(jù)，如此逐級深入，最終得到整車零部件材料信息。

3.2 數(shù)據(jù)校核算法的實現(xiàn)

由于汽車產(chǎn)品零部件數(shù)量眾多，供應鏈較長，零部件結構深度大，數(shù)據(jù)采集內(nèi)容繁雜且難度較大，因此，在數(shù)據(jù)采集過程中極易出現(xiàn)如下問題：①數(shù)據(jù)采集深度不夠，無法達到整車結構最底層即零件層；② 數(shù)據(jù)準確性不高，與整車拆解所得數(shù)據(jù)存在出入等現(xiàn)象。鑒于此，在進行RRR計算前，需要對整車數(shù)據(jù)進行校核以及篩選處理。

以圖2為例，所有結點組成集合C′，Nij表示第i層、左數(shù)第j個結點。樹中根結點N01表示某款汽車產(chǎn)品，以N11、N14為根結點的2棵子樹和N12、N132個葉子結點，表示整車中各總成和與其層次相同的零件（多為總成間的連接件）。其中，N11、N142棵子樹又為多叉樹，其葉子結點為零件，中間節(jié)點為部件［11］。

對整車進行RRR計算時，應優(yōu)先從節(jié)點集合C′中選取可用于RRR計算的結點集合C＝｛Rij?i′j′?R｝，即葉子結點，如圖 2 中結點集合C＝｛N51、N52、N42、N43、N44、N45、N31、N32、N34、N35、N36、N38、N23、N12、N13｝。由于葉子結點沒有子結點，因此其表示由單一材料制成的零件。各零件質(zhì)量依據(jù)拆解所屬階段和材料的再生性能計入不同階段質(zhì)量中，最后依據(jù)不同階段質(zhì)量，利用公式進行求解。

在實際計算時，由于以下原因，可不必或不能依據(jù)所有葉子結點進行計算：

（1）零部件信息采集深度不夠，不能得到整車所有葉子結點的數(shù)據(jù)。

（2）某些總成或部件具備整體可再利用性，無須精細拆解，其下所有零部件均可被認為可再利用。

因此，處理整車零部件數(shù)據(jù)時，應從底層結點開始，優(yōu)先選擇葉子結點。遇到上述情況時，可采取“舍子取父”的原則，取其父節(jié)點數(shù)據(jù)，并舍棄該父節(jié)點的所有子孫。據(jù)此逐級向上，除結點N01外，對所有結點進行篩選，最終得到可用于RRR計算的結點集合C。算法流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

通過對整車零部件數(shù)據(jù)處理，得到可用于RRR計算的結點集合C＝｛Ni｜i＜s｝，其中Ni表示集合C中第i個結點，s表示集合中的結點總數(shù)。Ni包含5種屬性｝。則（1）式、（2）式可變形為（3）式進行RRR計算，得出該汽車產(chǎn)品的回收利用率，即

4 應用實例

以某汽車企業(yè)量產(chǎn)的某款汽車為例，對其進行了RRR計算。

（1）首先確定該款汽車RRR計算基準車型的配置，見表2所列。整備質(zhì)量為1 100kg。

表2 基準車型基本配置表

（2）進行整車拆解并記錄相關拆解數(shù)據(jù)，確定該款汽車中屬于預處理階段、拆解階段和金屬分離階段的零部件及其質(zhì)量。

（3）采集零部件材料信息，獲取剩余非金屬材料的回收性能，確定剩余非金屬材料中可用于材料回收的零部件及其質(zhì)量，以及用于能量回收的零部件及其質(zhì)量。

（4）通過數(shù)據(jù)校核算法，檢驗整車零部件數(shù)據(jù)，確定可用于RRR計算的結點集合C，并對集合C中所有結點的5種屬性分別求和，則可得到RRR計算的中間過程數(shù)據(jù)，見表3所列。

表3 RRR計算的中間過程數(shù)據(jù) kg

因此，根據(jù)（3）式、（4）式可得，Rcyc＝88.6%，Rcov＝91.7%。

以上數(shù)據(jù)證明，該款汽車基準車型能夠達到文獻［4］中規(guī)定的第2階段目標，說明該款汽車其他車型的可回收利用率均能夠達到或超過此值。

5 結束語

本文說明了RRR計算的實施方法，確定了RRR計算中的整車拆解流程，建立并實現(xiàn)了面向RRR計算的汽車回收信息模型，并說明了信息模型中零部件材料數(shù)據(jù)的采集方法和數(shù)據(jù)不確定情況下的數(shù)據(jù)校核算法，驗證了該方法的可行性，并計算出該車的可再利用率和可回收利用率。

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